量子力学用途是正确的吗

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2019-12-21 01:00 标签： 量子力学

　　欧洲强子对撞机是目前世界仩研究物理学最高端的实验设施之一它有很多重要的工作要做，比如寻找用旧物质碰撞的方法来寻找新的物质当然，还有完全反过来嘚实验比如通过加速器来实现一些物理学家一直以来难以观测到的现象，而不仅仅是碰撞粒子

　　英国《每日邮报》8月17日报道，欧洲夶型强子对撞机（LHC）在近期的实验中证实了量子力学用途中一个长期以来一直存在但是没有获得论证的预言

　　具体进行这一实验的是歐洲粒子物理研究所（CERN）负责的超环面仪器项目（ATLAS，LHC的7个探测器之一）该项目的物理学家表示，他们观测到了一种被称为是“光与光散射干涉”的现象这是光在高能量状态下与自身发生互相作用并改变方向的直接证据。

实验数据图表来自CERN

　　在高中物理学中，如果两個光波接触到一起他们通常会彼此叠加成一个新的光波。以电磁学研究的方法来研究光的话光子就是光的最小粒子，物理学家们认识箌光子可以彼此接触交换信息，然后散射真正的挑战在于如何观测到这个过程。

　　在低能量情况下科学家们仅仅能观测到2个光子茬互相发生作用后的出现，但是看不到是怎么进去的因此就需要大型电子对撞机的帮助，提供一个高能量的环境来进行这个实验操作

　　最早的时候，研究人员发现可以通过质子束的碰撞来进行观测但是实验数据太过混乱，后来通过加速器的重离子运行（剥离了电子嘚铅原子）科学家们终于获得了更加干净的观测结果。

大型强子对撞机内部构造图片来自CERN

　　这一现象对于目前的量子电动力学的研究有着至关重要的作用，科学家寻求这一里程碑式的结果已经长达数十年现在，科研人员终于可以宣布获得光子可以互相影响并改变方姠的证据了

　　来自谢菲尔德大学的ATLAS项目协调员丹·托维表示：“这次的发现具有里程碑式的意义，这是首次有直接证据证明光在高能量状态下会发生自身干涉。这一理论在经典物理的电子学中是不可能存在的，现在这个实验结果为我们理解量子电动学提供了敏感的测试方法”

　　这一现象是在2015年开始的大型强子对撞机的第二轮运行中发现的。在第二轮运行（RUN 2）中粒子加速器以前所未有的速度加速并碰撞铅离子，在碰撞过程中研究中首次获得了“光与光散射干涉”现象的证据。

　　ATLAS项目重离子物理学小组召集人来自美国布鲁克海文國家实验室的彼得·斯坦伯格说：“这个实验关于重离子和高能物理学的实验实际上已经进行了好几年，因为此前的几组数据表明，我们可以通过研究RUN 2中的铅离子碰撞来获得最至关重要的数据。”

ATLAS公布的关于碰撞实验的图解

　　根据CERN所公布的信息重离子碰撞创造了一个“幹净的环境”来研究这种现象：当铅离子加速时，其周围会产生光子但是在绝大多数情况下，铅离子在加速器里相遇时很难发生碰撞泹是光子会在其周围产生，并且发射散射现象这一过程被称为是“超外围碰撞”（ultra-peripheral collisions）。

　　在第二轮测试中研究人员提取了超过40亿次倳件的数据，在其中筛选出了13次显著性达到// true report 2225 欧洲强子对撞机是目前世界上研究物理学最高端的实验设施之一它有很多重要的工作要做，仳如寻找用旧物质碰撞的方法来寻找新的物质当然，还有完全反过来的实验比如通过

二十世纪人类进步的每一个重大環节都跟量子力学用途有关。然而量子力学用途很多大家包括爱因斯坦和玻尔都无法理解，量子力学用途的创始人普朗克一生都试图茬摈弃量子论人类科学史上还没有过这么奇特的事情。那么量子力学用途到底怪在哪呢哪就是：意识不能被排除在客观世界之外。一萣要把意识加进去你才能够认识搞懂它如果肯定了意识的作用，至少可以初步认识量子力学用途的三大诡异现象

量子力学用途的第一個诡异现象叫做态迭加原理和坍缩。一个物体在某个时刻一定会处在某个固定的状态。比如某人要么在客厅里要么在房间里，两者必居其一但在量子力学用途里就不一样了。微观粒子可能处在迭加态这种状态是不确定的。例如电子有可能在A点存在也可能在B点存在。但你一观察这个状态就坍缩了，她就从原来的在客厅又不在客厅的迭加状态，一下子变成在客厅或者不在客厅的唯一的状态了所鉯量子力学用途怪就怪在这儿：你不观察它，它就处于迭加态你一观察，它这种迭加状态就崩溃了

二、单体的叠加态：薛定谔的猫

刚財说的是量子力学用途第一个诡异点，现在我们来看看这个诡异之点往下推论能够推出什么结果。最后结果会使大家认识到意识是量孓力学用途的基础，物质世界和意识不可分开 这个实验是薛定谔提出的，被称为“薛定谔的猫”他认为一个东西既存在这个状态，又存在那个状态像即在客厅，又不在客厅一样那是荒谬的。他就想了个办法来批驳量子力学用途结果没有批驳好，最后反而证明了量孓力学用途最诡异的地方也就是意识和物质不可分开。

现在我来说薛定谔的实验是什么：把一只猫放进一个封闭的盒子里然后把这个盒子接到一个装置上，这个装置包含一个原子核和一个毒气设施原子核有百分之五十的可能性发生衰变，衰变的时候就会发射出一个粒孓来这个粒子一发出来就会触发毒气设施，毒气一触发就会杀死这只猫这是他想象中的一个实验。根据刚才说的量子力学用途的态迭加原理没有观察的时候，原子核是处于已经衰变和没有衰变的迭加状态就是它既可能衰变了又没有衰变，它是两种状态的迭加就像電子既在A点又不在A点一样，这个原子核既衰变又没有衰变50%几率衰变，50%几率不衰变这个时候猫的状态是可能活着，也可能死了就是说貓也处于这种既死又活的迭加状态。

猫可能处于这种状态吗聪明人可能会说：那你打开盒子一看不就行了吗？但是打开盒子一看就是莋了观测，猫就只能是死或者活了这个问题一提出来，物理学家一个个都惊呆了原来以为只有微观世界才有这种态迭加，就是状态不確定既处于这个状态，又不处于这个状态现在宏观世界也一样了，猫不就是这样吗有一只既死又活的猫。大家都不承认有这种状态但是量子力学用途的诡异之点，量子力学用途的态迭加原理就是说：你在观察之前猫就是处于既死又活的状态。这个问题争论了很长時间怎么办？量子理论很确定这是毫无疑问的，如果没有揭开盖子没有观察那薛定谔的猫的状态是死与活的迭加，这只猫永远处于哃时是死又是活的迭加态这与我们的经验严重违背。

三、多体的迭加态：量子纠缠

现在再来讲量子力学用途第三个诡异之点这个和前媔讲的状态有关，是它们的直接结论叫做量子纠缠。现代科学发现对物质的研究，在进入分子、原子、量子等微观级别后意外非常夶。出现了超导体、纳米级、石墨烯等革命性的材料出现从分子水平治愈癌症的奇迹。而最神奇的是——量子纠缠 科学实验发现，二個分裂出来的量子会在不同位置出现完全相关的相同表现。一个出现状态变化另一个几乎在相同的时间出现相同的状态变化，而且不昰巧合这就是量子纠缠。科学家已经实现了6-8个离子的纠缠态我国科学家实现了13公里级的量子纠缠态的拆分、发送。

牛顿第三定律说作鼡力与反作用力是相等的我们的意识能够受外部世界的影响而改变，意识就不能改变客观世界呢有人认为意识是能够改变客观世界的，意识改变客观世界就是通过波函数坍缩就是使不确定状态变成确定的状态，这样来影响的所以波函数，也就是量子力学用途的状态从不确定到确定必须要有意识的参与，这就是争论到最后大家的结论这也是量子力学用途的精髓。

量子力学用途中有一个观测者效应，被大部分不懂量子力学用途的普罗大众理解为由于人的意识的参与使得量子的叠加态崩塌想当然的认为这证明了人的意识对物质具有直接的影响。既然意识对物质有所影响那宇宙中是否存在一个能把自己意志直接作用于宇宙的万能的神呢？

观察者效应和唯心主义沒有关系

将观察者的意识带入进来只是哥本哈根学派的解释，这是在量子力学用途诞生早期较为粗浅的一种认知好比爱因斯坦发表广義相对论之前，人们对为什么会有引力这个问题的解释只能是“它就是有引力”随着科技发展人类现在对观察者效应已经有了更深层次嘚了解，但由于哥本哈根学派名气太大且科普更新速度不到位所以造成目前哥本哈根解释仍然占据人们观念中的主流。其实除了哥本哈根学派解释以外还有其他解释比如多世界诠释以及退相干解释。

目前退相干解释在学界比较受欢迎这种解释可以将意识排除在外，在宏观和微观之间架起了一座桥梁

退相干解释认为单个微观粒子处于叠加态，但是当海量的粒子聚集到一起时其微观特性便会因为粒子间嘚相互影响、耦合而隐匿整体表现出宏观性质。好比清风拂面其实本质就是一大堆空气分子以一定速度撞向你，由于粒子太多便产苼一种整体宏观的力，所以你会感觉风作为一个整体在轻抚你的脸颊

观测者去观测某个粒子肯定要借助工具仪器，仪器都是由不可计数個微观粒子组成的在量测时被量测的单个粒子必然与宏观环境发生耦合令自己的微观属性在极短的时间内漏失掉，于是便呈现出粒子属性

虽然目前退相干具体工作机制人们仍然不甚了解，但是用它来解释观察者效应已经得到了学界广泛认可

现在科学家已经成功用巧妙嘚方法在实验室将几颗微观粒子与环境隔绝并成功观测到了多粒子的叠加态，也就是说科学家在实验室成功的打开盒子窥探到了处于“半迉不活”状态的“猫”不过这只“薛定谔的猫”个头很小，远比真正的猫要小几十个数量级退相干解释量测效应已经得到了实验的证實，观察者效应也不再是令人困惑的神秘疑难

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